В сегодняшней статье мы бы хотели осветить простую, но в то же время важную тему выбора простой метрики для оценки того или иного датасета. Со средним арифметическим все давным давно знакомы, чуть ли не каждый школьник отлично знает, что нужно просуммировать все имеющиеся значения, поделить на их количество и получить среднее значение. В школьные знания не входят никакие альтернативные варианты, которых, на самом деле, в статистике много — на любой вкус и случай. Однако, в решении исследовательских и маркетинговых задач люди часто берут именно эту метрику за основу. Правомерно ли это или есть более удачный вариант? Давайте разбираться.

Для начала стоит вспомнить определения двух метрик, о которых мы сегодня поговорим.
Среднее  — самый популярный статистический показатель, который используется для измерения центра данных. А что же такое медиана? Медиана — значение, которое разбивает данные, отсортированные по порядку увеличения значений, на две равные части. Это значит, что медиана показывает центральное значение в выборке, если наблюдений нечетное количество и среднее арифметическое двух значений, если количество наблюдений в выборке четно.

Исследовательские задачи

Итак, оценка среднего значения выборки — зачастую важна во многих исследовательских вопросах. Например, специалисты, изучающие демографию часто задаются вопросом изменения численности регионов России, чтобы проследить за динамикой и отразить это в отчетностях. Давайте попробуем рассчитать среднюю численность региона России, а также медиану, а затем сравним полученные результаты.
Для начала, нужно найти и загрузить данные, подключив для этого библиотеку pandas.

import pandas as pd
city = pd.read_csv('city.csv')

Затем, нужно посчитать среднее и медиану выборки.

mean_pop = round(city.population_2020.mean(), 0)
median_pop = round(city.population_2020.median(), 0)

Значения, естественно, получились разными, так как распределение наблюдений в выборке отлично от нормального. Для того, чтобы понять, сильно ли они отличаются, построим график распределения и отметим среднее и медиану.

import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

sns.set_palette('rainbow')
fig = plt.figure(figsize = (20, 15))
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
g = sns.histplot(data = city, x= 'population_2020', alpha=0.6, bins = 100, ax=ax)

g.axvline(mean_pop, linewidth=2, color='r', alpha=0.9, linestyle='--', label = 'Среднее = {:,.0f}'.format(mean_pop).replace(',', ' '))
g.axvline(median_pop, linewidth=2, color='darkgreen', alpha=0.9, linestyle='--', label = 'Медиана = {:,.0f}'.format(median_pop).replace(',', ' '))

plt.ticklabel_format(axis='x', style='plain')
plt.xlabel("Численность населения", fontsize=25)
plt.ylabel("Количество городов", fontsize=25)
plt.title("Распределение численности населения российских городов", fontsize=25)
plt.legend(fontsize="xx-large")
plt.show()

Также, на этих данных стоит построить боксплот для более точной визуализации основных квантилей распределения, медианы, среднего и выбросов.

fig = plt.figure(figsize = (10, 10))
sns.set_theme(style="whitegrid")
sns.set_palette(palette="pastel")

sns.boxplot(y = city['population_2020'], showfliers = False)

plt.scatter(0, 550100, marker='*', s=100, color = 'black', label = 'Выбросы')
plt.scatter(0, 560200, marker='*', s=100, color = 'black')
plt.scatter(0, 570300, marker='*', s=100, color = 'black')
plt.scatter(0, mean_pop, marker='o', s=100, color = 'red', edgecolors = 'black', label = 'Среднее')
plt.legend()

plt.ylabel("Численность населения", fontsize=15)
plt.ticklabel_format(axis='y', style='plain')
plt.title("Боксплот численности населения", fontsize=15)
plt.show()

Из графиков следует, что медиана существенно меньше среднего, а также, ясно, что это следствие наличия больших выбросов — Москвы и Санкт-Петербурга. Поскольку среднее арифметическое — метрика крайне чувствительная к выбросам — при их наличии в выборке опираться на выводы относительно среднего не стоит. Рост или снижение численности населения Москвы может сильно смещать среднюю численность по России, однако это не будет влиять на настоящий общерегиональный тренд.
Используя среднее арифметическое мы скажем, что численность типичного (среднего) города в РФ — 268 тысяч человек. Однако, это вводит нас в заблуждение, так как среднее значительно превышает медиану исключительно из-за численности населения Москвы и Санкт-Петербурга. На самом деле, численность типичного российского города существенно меньше (аж в 2 раза!) и составляет 104 тысячи жителей.

Маркетинговые задачи

В контексте бизнеса разница между средним арифметическим и медианой также важна, так как использование неверной метрики может серьезно сказаться на результатах проведения акции или затруднить достижение цели. Давайте посмотрим на реальном примере, с какими трудностями может столкнуться предприниматель в ритейле, если неверно выберет целевую метрику.
Для начала, как и в предыдущем примере, загрузим датасет о покупках в супермаркете. Выберем необходимые для анализа столбцы датасета и переименуем их, для упрощения кода в дальнейшем. Поскольку эти данные не так хорошо подготовлены, как предыдущие, необходимо сгруппировать все купленные товары по чекам. В этом случае необходима группировка по двум переменным: по id покупателя и по дате покупки (дата и время определяется моментом закрытия чека, поэтому все покупки в рамках одного чека совпадают по дате). Затем, назовем полученный столбец «total_bill», то есть сумма чека и посчитаем среднее и медиану.

df = pd.read_excel('invoice_data.xlsx')
df_nes = df[['Номер КПП', 'Сумма', 'Дата продажи']]
df_nes.columns = ['user','total_price', 'date']
groupped_df = pd.DataFrame(df_nes.groupby(['user', 'date']).total_price.sum())
groupped_df.columns = ['total_bill']
mean_bill = groupped_df.total_bill.mean()
median_bill = groupped_df.total_bill.median()

Теперь, как и в предыдущем примере нужно построить график распределения чеков покупателей и боксплот, а также отметить медиану и среднее арифметическое на каждом из них.

sns.set_palette('rainbow')
fig = plt.figure(figsize = (20, 15))
ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
sns.histplot(groupped_df, x = 'total_bill', binwidth=200, alpha=0.6, ax=ax)
plt.xlabel("Покупки", fontsize=25)
plt.ylabel("Суммы чеков", fontsize=25)
plt.title("Распределение суммы чеков", fontsize=25)
plt.axvline(mean_bill, linewidth=2, color='r', alpha=1, linestyle='--', label = 'Среднее = {:.0f}'.format(mean_bill))
plt.axvline(median_bill, linewidth=2, color='darkgreen', alpha=1, linestyle='--', label = 'Медиана = {:.0f}'.format(median_bill))
plt.legend(fontsize="xx-large")
plt.show()

fig = plt.figure(figsize = (10, 10))
sns.set_theme(style="whitegrid")
sns.set_palette(palette="pastel")

sns.boxplot(y = groupped_df['total_bill'], showfliers = False)

plt.scatter(0, 1800, marker='*', s=100, color = 'black', label = 'Выбросы')
plt.scatter(0, 1850, marker='*', s=100, color = 'black')
plt.scatter(0, 1900, marker='*', s=100, color = 'black')
plt.scatter(0, mean_bill, marker='o', s=100, color = 'red', edgecolors = 'black', label = 'Среднее')
plt.legend()

plt.ticklabel_format(axis='y', style='plain')
plt.ylabel("Сумма чека", fontsize=15)
plt.title("Боксплот суммы чеков", fontsize=15)
plt.show()

Из графиков следует, что распределение смещено к началу координат (отличное от нормального), а значит медиана и среднее не равны. Медианное значение меньше среднего примерно на 220 рублей.
Теперь представим, что у маркетологов есть задача повысить средний чек покупателя. Маркетолог может решить, что поскольку средний чек равен 601 рублю, то можно предложить следующую акцию: «Всем покупателям, кто совершит покупку на 600 рублей, мы предоставляем скидку 20% на товар за 100 рублей». В целом, резонное предложение, однако, в реальности, средний чек ниже — 378 рублей. То есть большая часть покупателей не заинтересуется в предложении, поскольку их покупка обычно не достигает предложенного порога. Это значит. что они не воспользуются предложением и не получат скидку, а компания не сможет достичь поставленной цели и увеличить прибыль супермаркета. Все дело в том, что исходные предпосылки были ошибочны.

Выводы

Как вы уже поняли, среднее арифметическое зачастую показывает более значимый и приятный результат, как для бизнеса, так и для исследовательских задач, ведь руководству всегда выгоднее представить ситуацию со средним чеком или демографической ситуацией в стране лучше, чем она есть на самом деле. Однако, необходимо всегда помнить о недостатках такой метрики, как среднее арифметическое, чтобы уметь грамотно выбрать подходящий аналог для оценки той или иной ситуации.